软岩采场老顶破断的有限元模拟

将软岩采场老顶岩层视为支承于粘弹性基础上的薄板，设计了研究老顶破断的ＦＥＡＥＢＰ有限元模拟方法。该法能有效的模拟各种岩性参数、开采边界条件和各种几何尺寸的老顶岩层在开采过程中破坏的过程和结果，最终提供老顶的破坏形式、断裂步距、顶板下沉状态等分析数据，并对老顶来压的预测预报、选择合理的控顶措施提供依据。     

老顶岩层断裂型式及对工作面来压的影响

众所周知,沿着工作面长度方向顶板压力是不尽相同的。长期来人们主要研究工作面中部的顶板压力,事实上工作面上方的老顶如同支承在煤柱上的“板”一样,而“板”的断裂对工作面中部及上、下部的顶板压力影响是不一样的。 本文研究了各种不同支承条件下老顶岩层的初次破断型式。根据模型试验及实测资料研究了老顶的断裂过程、条件以及断裂的型式。根据试验,老顶断裂的型式可以分为横X型、X型及竖X型破坏。 试验证明,只有老顶呈横X型破坏时,工作面中部可以采用“砌体梁”的理论研究矿山压力,而对其它情况则必需用“板”的破坏理论研究矿山压力。     

高位硬厚岩层弹性基础边界下破断规律的演化特征

以某矿首采工作面上覆高位岩浆岩条件为背景,根据高位硬厚岩层的空间结构及边界基础特征,建立了高位硬厚岩层弹性基础支承下的Winkler基础正交梁力学模型,推导出高位硬厚岩层走向和倾向的弯矩及挠度表达式,得到了特征弯矩及其位置的计算式,分析了特征弯矩在工作面推进过程中的演化规律.研究表明:高位硬厚岩层在边界基础支承下,走向及倾向的最大弯矩和起始破断位置在采空区中部,具有边界基础变形效应.初次破断步距随工作面长度的增加呈现似"W"型变化趋势,并分为稳定、步距变化和步距稳定3个阶段;随弹性基础特征参数β的增大呈现单调递增的变化趋势.采用弹性基础正交梁理论可预测高位硬厚岩层的破断步距,并通过工程实例验证了考虑边界弹性基础变形效应是合理的.     

老顶断裂前后的矿山压力变化

本文利用煤层开采时老顶的破断特征,建立了老顶断裂前后的弹性基础梁模型,利用其解可求得在老顶断裂后的回采工作面前方,老顶在一些地区形成了“反弹”而在另一些区域则形成了压缩。无疑,这种现象可用来预示老顶的断裂,从而预报老顶断裂后对工作面来压的影响。     

倾斜长壁工作面老顶岩层破断规律的研究

本文利用弹性基础梁理论,研究了倾斜长壁工作面老顶岩梁的运动和破断规律,分别对仰斜开采和俯斜开采条件下老顶岩层断裂的位置和条件、老顶来压步距等进行了分析.研究表明,倾斜长壁开采时老顶岩梁的初次断裂过程有三种类型,并给出了相应的计算公式。同时分析了煤层倾角和顶板条件对老顶断裂和矿压显现的影响。     

薄基岩综放采场基本顶周期来压力学分析

以山西潞安矿业集团司马煤矿厚黏土层薄基岩厚煤层开采为研究背景,采用数值模拟、理论分析、现场实测等方法对薄基岩综放采场基本顶运动结构特征进行了研究,利用关键层理论对薄基岩进行了定义,并建立了厚黏土层薄基岩综放采场基本顶周期来压岩层破断的力学模型,分析了基本顶结构的稳定性.结果表明:厚黏土层薄基岩厚煤层开采时,由于采厚较大,采动影响范围加大,当基本顶岩层形成"砌体梁"周期性破断后,上覆载荷岩层迅速移动并波及至黏土层,黏土层内部形成"拱"平衡结构;在"拱"结构保护下,"砌体梁"只需承受上覆基岩和拱内土体的重量,并非上覆全部土层荷载,故不易发生滑落失稳;"拱"发育高度与土体自身性质有关,与基岩厚度的变化关系不大,一般拱高为16～22m.     

变长工作面采场顶板破断机理的力学模型分析

为了深入研究变长工作面采场顶板的破断特征和垮落形态,以工作面长度由大变小的"刀把式"采场为研究背景,运用弹性薄板理论构建了5种不同支承边界条件下的顶板力学模型,通过理论计算得出了大小采面基本顶断裂前后的挠度、弯矩和应力变化,并理论分析了顶板破断的力学机理.研究表明:大面采场顶板首先在板边四周形成"O"形破断,而后在中部形成平面的"X"形破断,两者贯通后构成顶板的"O-X"型破断;小面采场顶板先在顶板中部形成空间"X"形破断,而后与四周形成的"O"形破断交合贯通构成顶板的"X-O"型破断.运用数值模拟方法探究了变长工作面采场顶板塑性区的分布范围和应力场的演化规律,模拟结果对大小采面的顶板破断形态进行了有力验证.     

煤矿直接顶与老顶离层破坏影响因素分析

复合巷道支护是国内外巷道支护的难题之一,而复合巷道在我国煤矿巷道中有着广泛的分布．煤巷的开挖位置一旦确定,其围岩结构状态就不再改变,岩层结构上的薄弱部位即为巷道的关键部位．巷道顶板离层破坏影响因素很多,通过对煤层直接顶、老顶的厚度以及岩体的强度等分析,确定其对顶板离层的影响程度,并结合力学分析,建立顶板离层力学模型,计算出顶板离层深度,另外还利用FLAC3D模拟软件,模拟复合巷道在不同环境下老顶与直接顶的变形量,从而得出引起顶板离层破坏的影响因素．     

老顶初次来压步距的计算预测法

本文根据大量初次来压步距的统计和老顶“板”模型破断规律的研究,论述了老顶初次来压步距a_i的构成。它由反映其自身稳定性的步距准数l_m与反映工作面长度和开采边界影响的“边—长”系数W_i之积构成,即a_i=l_m·w_i。得出了工作面长度对老顶来压步距及其极限悬露面积的影响均呈w形曲线关系的结论。开采边界不同,其w形曲线也略有差异。据此,提出了常见的四种开采边界条件下来压步距的计算方法,以及利用实测步距推广到邻近工作面中去的换算方法。同时,对顶板分类提出应以步距准数l_m为指标,并用作w形曲线图法进行分类。     

覆岩分次垮落时留巷顶板离层形成机制

从采场侧向覆岩活动的阶段特征入手,结合数值模拟分析了顶板离层的形成过程,建立了顶板岩梁受力模型,推导得出了顶板下沉与离层数值的影响因素和算式.在采动期间,巷道顶板同期破断的岩层组间不会发生离层,分次垮落岩层组间的离层值取决于各岩层组力学性质与层厚的差异,并受顶板岩梁旋转基点深度和采空区侧向悬臂长度的影响.提供合理的顶板支护阻力可以约束锚固区内的离层,以高初撑力锚杆索和单体支柱为基础的刚性主动支护,能够扩散和均化支护应力,满足控顶载荷需求并有效控制离层.     

动力扰动作用下条带开采系统失稳特性研究

把顶板岩层视为边界固定的弹性矩形平板,将条带煤柱近似等效为连续分布的温克尔弹性基础,采用温克尔弹性基础和流变理论推导出动力荷载下黏弹性基础上四边固支矩形板的黏弹性模型微分方程,探讨了外部荷载频率的变化对系统稳定性特性影响,并研究了系统各参量对条带开采系统动力不稳定区域的影响.结果表明,系统的振动幅度对外部荷载频率的变化尤为敏感,系统的阻尼、刚度、采出率对不稳定区域影响起着关键作用.通过调整系统刚度和几何结构以及系统的力学状态可防治条带开采系统的失稳,并给出了针对性措施.     

关键层对急斜下保护层开采保护作用的影响

以某矿多煤层下保护层急倾斜俯伪斜工作面为例,确定了沿工作面伪斜方向顶板硬岩层承受的栽荷和充填体的支撑栽荷的表达式.基于关键层理论和有限元数值模拟方法,确定了下保护煤层开采后上覆岩层中的关键层的位置及其破断距;得出了急倾斜煤层开采后受关键层影响下的上覆岩层移动特点和破坏形态;分析了关键层对保护层开采保护范围的影响.研究表明,距下保护层K6煤层17 m的硅质石灰岩为上覆岩层中的关键层,其破断距为30 m左右;关键层破断之前,关键层上部的被保护层卸压并不明显;关键层破断以后,保护层的保护作用逐渐明显;且被保护层的瓦斯涌出规律与关键层破断距成周期变化,倾斜上部瓦斯得到充分释放,而倾斜下部由于冒落矸石的充填导致岩层变形较小,瓦斯不能充分释放,使保护范围在倾向上部比下部大.     

不同基础上板结构老顶的断裂模式及其对采面来压的影响

本以现场观测及岩样试验为基础，将长壁工作面老顶视为弹性薄板，将支撑老顶的直接顶与煤层分别视为弹性，弹塑性，粘弹性及粘塑性基础，亦即，将老顶及其基础分别视为四种统一的窨结构模型，并通过薄板弯曲边界元法分别与弹性，弹塑性，粘弹性及粘塑性边界元法耦合，对上述空间结构进行求解，得出了结论。     

浅埋煤层群开采顶板双关键层结构及支护阻力研究

采用现场实测、物理相似模拟和理论分析方法,分析了浅埋煤层群间隔岩层双关键层的形成条件、双关键层结构稳定性和支架载荷计算方法.基于对神府矿区4-2与5-2煤层开采的实测发现,浅埋煤层群较单一煤层开采周期来压步距缩短25%,来压强度增加15%～22%.物理相似模拟表明,间隔岩层存在双关键层结构时,直接顶以"短悬臂梁"形式周期破断,间隔岩层下位关键层与上位关键层分别形成铰接结构,上煤层已垮落的顶板形成活化的砌体梁结构.根据顶板结构组合形态,可将浅埋煤层群双关键结构分为"台阶-砌体-砌体"结构、"台阶-台阶-砌体"结构和"砌体-砌体-砌体"结构.双关键层结构同步与非同步破断运动形成大、小周期来压现象.通过建立的"台阶-砌体-砌体"结构力学模型,给出了动、静载荷作用下工作面支护阻力计算方法.     

坚硬厚层顶板群结构破断的采场冲击效应

采用理论分析、物理相似模拟及现场实测相结合的方法,对坚硬厚层顶板群结构的破断冲击效应进行了分析.研究表明:多分层坚硬顶板群结构的破断冲击载荷在短时间内会产生较大的波动,工作面来压特征受多分层顶板垮断的联合作用;采场冲击来压强度主要与顶板赋存厚度及自身岩性特征有关,对于岩性相近的顶板岩层,厚度越大,对采场的矿压冲击影响也越剧烈,但厚层顶板垮断后的结构对其上覆顶板岩层的冲击载荷强度具有一定的缓冲.以大同矿区坚硬顶板群结构下的煤层开采为例,现场实测分析得到的工作面采场来压特征说明多分层顶板的垮断失稳有一定的随机性,但各分层顶板的单层垮断或多层同步垮断几率在整个煤层开采过程中基本保持不变.     

顶板隔水层关键层耦合作用规律研究

在煤矿开采过程中，如果覆岩裂隙扩展至贯穿隔水层，则会诱发地下水或地表水大量涌向采场，导致煤矿淹井事故．利用RFPA^2D-Flow软件建立了隔水层关键层耦合的采场推进模型，计算并分析了裂隙场的发育和分布，绘制了顶板水渗流量曲线．讨论了与裂隙发育密切相关的覆岩支承压力与中间岩层厚度、关键层厚度及破断闻的关系．结果表明：关键层未破断时，中问岩层厚度对隔水层裂隙发育作用不明显；厚关键层对隔水层能起较好的保护作用．     

软岩采场前方支承压力的分布规律

将采场顶、底板岩层和煤体视为软岩，具有流变性能，引用Ｍａｘｗｅｌｌ流变模型建立支承压力计算公式，并讨论了支承压力的分布特征及其在采场前方煤体上的分布规律。     

采动影响下断层冲击矿压危险性研究

采用FLAC5.02D数值模拟软件模拟了煤层开采过程中断层对矿山压力分布的影响.研究了不同断层倾角、断层强度、断层落差、老顶厚度和老顶强度下,工作面支承压力峰值变化规律.结果表明,工作面由断层上盘向断层推进:支承压力峰值随断层倾角减小而减小,当断层倾角为30°时,应力峰值降为60.92MPa,甚至会小于无断层影响下的63.18MPa;当老顶厚度超过20m,应力峰值迅速降为51.53MPa.而工作面由断层下盘向断层推进:应力峰值随着老顶强度的增大先迅速增大为89.34MPa,当老顶强度超过40GPa后,应力峰值基本保持不变.当工作面由断层下盘向断层推进时冲击危险性均比工作面由上盘向断层推进时的高.     

结构弹性支承刚度识别的广义逆特征值法

以带弹性支承的结构为对象，将结构刚度矩阵视为弹性支承刚度的线性函数，以广义逆特征值理论为基础，引入广义特征值导数，给出一种识别结构弹性支承刚度的方法．算例中，利用模态试验结果，根据前3阶实测固有频率，用Newton—Raphson法求解以支承刚度为参数的非线性方程组，求出弹性支承刚度，并分析模态试验结果误差对支承刚度识别的影响。误差分析表明，如果模态试验结果具有足够的精度，用本文方法能够准确地实现结构边界支承刚度识别。     

煤矿深井采场矿压显现及其控制特点

根据采场围岩控制原则、垮落带岩层的判别式、裂隙带老顶在触矸处的下沉量计算式和移动支承压力与采深的关系,分析了采深对采场矿压显现不同参数的影响,并通过实测加以验证根据岩性随采深的变化,讨论了深井采场可能出现的冒顶事故,并提出了相应的控制,认为采深对矿压显现的影响在采场支护方面不明显,而煤壁片帮将随采深增加而加剧。深部围岩逐渐变碎强度有所降低。深部采场应加强对垮睦顶事故的防治,把顶板护好。